Prestazioni meccaniche e stabilità termica del cemento Portland indurito

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2036 (2023) Citare questo articolo

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Questo studio si è concentrato sull'investigare la possibilità di utilizzare diversi rapporti (5, 10, 15% in massa) di fanghi di allume riciclato (RAS) in sostituzione parziale del cemento Portland ordinario (OPC), per contribuire a risolvere i problemi incontrati anche dalla produzione di cemento. come stoccaggio di grandi quantità di rifiuti di fanghi trattati con acqua. Le nanoparticelle di spinello (NMF) MnFe2O4 sono state utilizzate per elaborare le caratteristiche meccaniche e la durabilità di diverse miscele OPC-RAS. I risultati dei test di resistenza alla compressione, densità apparente, assorbimento d'acqua e stabilità alla cottura hanno confermato l'idoneità all'utilizzo dei rifiuti RAS per sostituire l'OPC (limite massimo 10%). L'inclusione di diverse dosi di nanoparticelle NMF (0,5, 1 e 2% in massa) all'interno delle paste OPC-RAS, motiva la configurazione di nanocompositi induriti con caratteristiche fisico-meccaniche migliorate e stabilità alla cottura. Il composito composto da 90% OPC – 10% RAS – 0,5% NMF ha presentato le migliori caratteristiche e considera la scelta ottimale per applicazioni edili generali. Tecniche di analisi termogravimetrica (TGA/DTG), analisi di diffrazione di raggi X (XRD) e microscopio elettronico a scansione (SEM). hanno affermato l'impatto positivo delle particelle NMF, poiché hanno dimostrato la formazione di fasi enormi come ilvaite (CFSH), idrati di silicato di calcio (CSH), MnCSH, Nchwaningite [Mn2 SiO3(OH)2 H2O], [(Mn, Ca) Mn4O9⋅ 3H2O], alluminosilicato di calcio idrato (CASH), glaucocroite [(Ca, Mn)2SiO4 e ferrite idrato di calcio (CFH). Questi idrati hanno aumentato la robustezza e la resistenza alla degradazione dei nanocompositi induriti dopo la cottura.

Ultimamente si è osservato un enorme passo avanti nel campo dell'edilizia, dove i tentativi dei ricercatori sono diventati estremamente grandi e si sono concentrati su come trovare alternative convenienti al cemento (parzialmente o totalmente sostituito) nel calcestruzzo1. Circa il 5% circa delle emissioni globali di gas serra derivano dall’industria del cemento (circa 1 tonnellata di CO2 viene prodotta durante la produzione di una tonnellata di cemento Portland). Inoltre, l’industria del cemento diventa molto costosa e fortemente consumata in termini di energia e risorse naturali. Pertanto, risolvere i problemi economici ed ecologici dell’industria della produzione del cemento è diventato estremamente urgente2,3.

Fortunatamente, il riciclaggio di alcuni rifiuti industriali diventa un modo essenziale per mitigare i rischi futuri nelle sfide cruciali. Pertanto, l’utilizzo di questi rifiuti nel settore edile ha diversi vantaggi che riguardano principalmente la riduzione dell’area di discarica, il risparmio sui costi, il risparmio energetico, la protezione dell’ambiente dove il pericolo per la salute umana è ridotto al minimo e il risparmio di risorse4,5,6. In studi precedenti e recenti condotti da numerosi ricercatori, molti sottoprodotti solidi (rifiuti industriali o agricoli) sono stati riutilizzati nei campi dell’edilizia sostenibile. Rifiuti di ceramica7,8, polvere di marmo di scarto9,10, rifiuti di vetro11, ceneri volanti12,13, rifiuti di mattoni14, ceneri di bagassa15, ceneri di lolla di riso16 scorie (GGBFS)17 e fumi di silice (SF) sono esempi famosi di questi sottoprodotti solidi18.

Lo smaltimento dei fanghi di trattamento delle acque (WTS) diventa un serio problema internazionale19. In generale, lo smaltimento dei fanghi in eccesso ottenuti durante il trattamento delle acque, scaricandoli nei corsi d'acqua o scaricandoli in discarica, è considerato un grosso problema ambientale20. Le caratteristiche speciali dei fanghi di trattamento delle acque ne incoraggiano fortemente l'utilizzo per sostituire parzialmente l'argilla necessaria per la produzione di clinker e altri materiali ceramici sinterizzati per ridurre al minimo i rischi ambientali, il rapporto costi-benefici e la collaborazione nella produzione sostenibile di materiali da costruzione21. Diversi studi hanno valutato la fattibilità dell’utilizzo dei fanghi di trattamento delle acque (WTS) in materiali cementizi supplementari per calcestruzzo22 e malta23.

I composti dello spinello hanno la formula DT2O4 (mentre D rappresenta un catione bivalente, come: Ca, Mg, Cu, Ni, Fe, Mn, Co e Zn mentre T rappresenta un metallo trivalente, come Al, Fe e Cr) e sono tecnologicamente materiali sostanziali a causa delle loro caratteristiche fisiche. Le ferriti di spinello possiedono una geometria cristallografica di [M2+-] tetra [Fe3+]otta O4 dove M2+ rappresenta ioni bivalenti come Mg2, Ni2+, Co2+, Zn2+, Cu2+, Fe2+ e Mn2+2.